孫建 鄒欣 徐林 李曉寒 陳明生 寧旭

【摘要】針對我校傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)性實驗存在的問題，我校開展了模擬電子技術(shù)設(shè)計性實驗的探索和研究。實施后，學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力取得了很好效果，契合了我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】模擬電子技術(shù);設(shè)計性實驗

《模擬電子技術(shù)》是我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要學(xué)習(xí)模擬電信號的產(chǎn)生、傳輸、處理、變換的基本原理、基本電路和基本分析方法，培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)員對各種功能電路工作原理的定性、定量分析能力，電路系統(tǒng)性能指標的選擇、計算能力，以及培養(yǎng)對模擬電路系統(tǒng)的綜合應(yīng)用和設(shè)計能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和掌握醫(yī)療設(shè)備的工作原理，奠定電子技術(shù)理論和實踐基礎(chǔ)，使學(xué)員在未來服務(wù)于軍隊醫(yī)療和科研時具有較系統(tǒng)的模擬電子技術(shù)的理論知識和實踐技能。

模擬電子技術(shù)是一門工程學(xué)、實踐性極強的課程，它涉及的知識點多，學(xué)生理解起來很抽象，所以在學(xué)習(xí)過程中必須注重實驗的重要性。我校模擬電子技術(shù)實驗包括：基礎(chǔ)性實驗和設(shè)計性實驗兩個方面的內(nèi)容。基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容包括：晶體管單管電壓放大器的性能調(diào)試、差分放大器的測試、集成運算放大器的基本運用、有源濾波器的調(diào)試與頻率特性的測量、功率放大器電路的測試、直流穩(wěn)壓電壓的安裝和調(diào)試。

在以往基礎(chǔ)性實驗開展過程中，主要存在以下問題：（1）基礎(chǔ)性實驗以教材給出的電路為基礎(chǔ)進行展開，一般設(shè)計為3個學(xué)時，教師講解30分鐘左右，然后由學(xué)生動手，重在讓學(xué)員熟悉電路的基本組成和性能參數(shù)。由此可見，實驗的目的僅僅停留在對基本電子和電工設(shè)備的安裝、調(diào)試、測試方法等基本技能上，缺乏對學(xué)員獨立設(shè)計與創(chuàng)新的實驗思維的鍛煉，以致解決實際問題的能力不強;（2）有些同學(xué)參數(shù)測試完成后，在實驗報告中，對測試結(jié)果的可靠性判斷能力差，不清楚到底自己測試的數(shù)據(jù)是否正確，實驗評價做得不是很理想，這也從某種層面反映了學(xué)員對實驗內(nèi)容的理解和掌握程度;（3）實驗內(nèi)容雖然緊扣課本每章節(jié)內(nèi)容，學(xué)生反映出來的積極性不夠，覺得實驗內(nèi)容在理論課中已經(jīng)詳細介紹了，重視程度不夠，學(xué)生實驗的興趣不高[1]。

針對基礎(chǔ)性實驗中遇到的問題，我校嘗試性的開展了設(shè)計性實驗的內(nèi)容。首先是選題，考慮到我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的培養(yǎng)方向，我們選取了與醫(yī)學(xué)相關(guān)的設(shè)計性實驗課題進行開展，于是我們選取了一個簡單但是很具有代表性的目的：脈搏信號采集接口電路的設(shè)計。并且對設(shè)計的具體要求進行了說明：根據(jù)要求設(shè)計紅外光電傳感器的脈搏信號采集接口放大電路，并制作，搭建實驗電路板并制版，利用函數(shù)信號發(fā)生器、示波器等電子設(shè)備對接口電路進行調(diào)試，完成接入紅外光電傳感器檢測手指脈搏波，并記錄波形，然后將脈搏波信號整形為方波信號。并且要求紅外光電傳感器接口電路的頻率范圍為0.1-30Hz;接口電路放大器增益A>=1500倍;集成運算放大器要求采用雙電源供電。

我們的設(shè)計性實驗按照表1進行開展實施：設(shè)計6個課次進行，總學(xué)時為44學(xué)時，按照6個方面的內(nèi)容進行。

1.確定設(shè)計方案

在開展設(shè)計性實驗前一個月，我們將設(shè)計性實驗內(nèi)容布置下去，讓學(xué)員對設(shè)計性實驗的內(nèi)容預(yù)先有所認識和了解，并且進行分組，2-3人一組?？紤]到我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)科目多的實際問題，我們在課堂上也專門安排了4個學(xué)時的文獻查閱和閱讀時間，并且以組為單位設(shè)計方案，安排2個學(xué)時時間，每組派代表對自己設(shè)計的方案進行設(shè)計方案初步匯報，初步匯報的任務(wù)是讓學(xué)員們對整個電路設(shè)計的模塊有個確定的把控，讓學(xué)生們弄清楚脈搏信號的組成，來源，信號特征，利用紅外光電傳感器采集的脈搏信號特征，重點要弄清楚在脈搏信號采集過程中的有哪些干擾信號，如何濾除干擾和脈搏信號采集接口電路組成的基本模塊。

通過學(xué)生的預(yù)匯報，發(fā)現(xiàn)組與組之間查閱文獻有很多是相同的，學(xué)生們積極性很高，通過匯報的方式開展反映效果好。預(yù)匯報后，以組為單位再進行方案的修正，再安排兩個學(xué)時進行方案的最終確定，這次方案要求拿出實際設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)，電路的靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)。通過匯報的方式，可以讓組與組之間發(fā)現(xiàn)自己電路設(shè)計的問題，也開闊了設(shè)計的思路。

2.電路仿真

方案設(shè)計好之后，首先要利用軟件的方式來驗證設(shè)計方案的可靠性。軟件仿真統(tǒng)一的采用Mutisium軟件進行，Mutisium軟件涵蓋了模擬電子技術(shù)常用的芯片和基本元器件，學(xué)員可以很方便的進行電路圖的連接，加入包含噪聲信號的信號源，利用示波器進行觀察，檢測輸出、輸入?yún)?shù)是否和設(shè)計的性能指標一致。軟件仿真進一步加強了設(shè)計方案的可靠性。在仿真過程中一定要求學(xué)員逐級電路進行仿真，很多同學(xué)將整個設(shè)計電路連接起來，結(jié)果輸出結(jié)果不正確，這時候就無法判定到底是哪一級電路出現(xiàn)了問題，同時要提示學(xué)員注意電路級與級之間的耦合干擾，要求學(xué)員記錄每一級電路的靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)和總電路的動靜態(tài)參數(shù)。

3.方案電路測試

通過軟件仿真后，方案電路測試是利用模擬電子技術(shù)實驗電路箱，通過硬件方式

來對設(shè)計方案的可靠性進行驗證。模擬電子技術(shù)實驗箱，學(xué)生們在開展了基礎(chǔ)性實驗之后，已經(jīng)非常的熟悉。這時候輸入信號選擇利用紅外脈搏傳感器直接輸出的信號，也可以按照軟件仿真的方式逐級進行硬件電路連接，記錄每一級的動態(tài)和靜態(tài)參數(shù)和總電路的動靜態(tài)性能參數(shù)。在設(shè)計操作中，提示學(xué)生采用紅外光電方式采集脈搏信號的工作原理，紅外光電正常工作時是有一個工作電流范圍的，一定要加限流電阻保證紅外光電管工作在正常的工作電流范圍內(nèi)。

4.PCB版設(shè)計及焊接

在軟件仿真和硬件仿真無誤后，就需要考慮PCB制版了，很多生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的現(xiàn)狀是沒有重視PCB版的設(shè)計，甚至很多高校沒有給學(xué)員創(chuàng)造PCB設(shè)計和焊接的機會。PCB版設(shè)計采用Protel開展，讓學(xué)員了解印刷電路板的版圖設(shè)計，需要考慮外部和內(nèi)部電子元件連接的優(yōu)化布局、金屬連線和通孔的優(yōu)化布局、熱耗散等各種因素甚至電磁保護等問題。PCB版制備完之后，以組為單位，由教師進行PCB版的加工制作，制作完之后，以組為單位完成元器件的焊接。

5.電路板調(diào)試

焊接成功之后，就需要對電路板進行調(diào)試。這時候以人體脈搏源信號為基礎(chǔ)，對人體脈搏信號進行檢測，并且利用示波器進行顯示，在實施過程中，也要求學(xué)員逐級電路進行實驗測試，記錄每級電路的靜動態(tài)參數(shù)進行測量和記錄。

6.考核

考核是本次設(shè)計性實驗開展情況的總結(jié)匯報，以幻燈講解和現(xiàn)場功能演示的手段開展，匯報講解內(nèi)容包括軟件、硬件仿真以及電路板性能參數(shù)設(shè)置和評價體會，并且由評委老師當(dāng)堂打分，對實驗內(nèi)容進行點評。

表1 設(shè)計性實驗實施計劃

課次 學(xué)時 內(nèi) ? ?容

1 8 查詢并閱讀文獻，研討確定設(shè)計方案

2 4 使用Mutisim軟件進行電路仿真

3 8 方案電路測試（實驗箱）

4 12 PCB版設(shè)計及組裝焊接元器件

5 8 電路板調(diào)試

6 4 考核（幻燈講解、現(xiàn)場功能演示）

通過本次設(shè)計性實驗的訓(xùn)練，學(xué)生們對模擬電子技術(shù)內(nèi)容有了更深入的認識，學(xué)生普遍反映較好。以組為單位促進了學(xué)員之間的團結(jié)合作精神的培養(yǎng)，學(xué)生們的綜合能力得到了提高，對模擬電子技術(shù)理論有了進一步的認識，將模擬電子技術(shù)知識與我校的醫(yī)學(xué)背景緊密聯(lián)系起來，提高了學(xué)生的積極性?？傊?，模擬電子技術(shù)設(shè)計性實驗在我校模擬電子技術(shù)實驗開展中是非常重要的，對我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的未來發(fā)展是非常必要的，必須不斷的探索和研究。

參考文獻

[1]模擬電子技術(shù)技術(shù)基礎(chǔ)實驗課教學(xué)經(jīng)驗淺談[J].電子技術(shù)，2012，4：26-27.